Nejdůležitější je, jak se atomy v tomto stavu chovají? Popíše nám to prof. Petr Kulhánek z ČVUT v Praze.
Rydbergovy atomy mají fantastické vlastnosti. Jsou v super pozici stavů, že se stanou záporně nabitým shlukem, který tam obíhá, jako by to byla střelka třeba kompasu, která se točí nebo ručička hodinek, která se točí. A takovýto Rydbergův atom je extrémně citlivý na elektromagnetické pole. A na tom založil své experimenty Serge Haroche, což je francouzský fyzik, nositel Nobelovy ceny právě za tyto experimenty, který použil Rydbergovy atomy jako detektor elektromagnetického pole. Vytvářel Rydbergovy atomy, což je samo o sobě velice zajímavé, jak se takový atom vytvoří. On se nejprve musí ochladit a potom se pomalinku excituje laserovými impulsy do těch vysokých energetických stavů. Pak uvedl ty Rydbergovy atomy do superpozice stavů, aby se staly tou rotující střelkou a takový atom prolétal mikrovlnnou dutinou, kde bylo několik fotonů, vychlazená dutina na řádově kelviny. A ten Rydbergův atom, točící se střelka, tak se ta fáze toho točení posune. A z toho posunu on detekoval jednotlivé fotony v té mikrovlnné dutině, což bylo historicky první nedestruktivní měření. My jsme vždycky v mikrosvětě provedli měření na nějaké částici a buď jsme ji zcela změnili, nebo úplně zabili, že jsme ji zničili. A toto bylo první nedestruktivní měření, kdy pomocí Rydbergových atomů bylo možné detekovat fotony v mikrovlnné dutině, aniž bychom ty fotony zabili, aniž bychom je zničili. Samozřejmě, něco zabít musíme, takže pak jsme zabili ten Rydbergův atom, abychom se dozvěděli, že viděl foton. Ale bylo to opakované, nedestruktivní měření, kde stovky prolétajících Rydbergových atomů tou mikrovlnnou dutinou vnímalo a vidělo, že tam je přítomný foton. A za to právě dostal Haroche Nobelovu cenu.
V roce 2012 za pokusy z osmdesátých let. Lapit jeden foton a dělat s ním experimenty, to byl jistě technický oříšek. A jeho interakce s nafouknutými atomy přinesla zajímavá zjištění. Ale tyto atomy se dají použít i k jiným účelům.
Další zajímavá vlastnost Rydbergových atomů - jsou schopny tvořit klastry, rovinné klastry. Takové oblasti spojené šestiúhelníky, které jsou elektromagneticky minimálně aktivní. A docela se začalo hovořit o tom, že je to zajímavá fáze látky, rydbergovská látka, která by mohla dělat nějaké procento temné hmoty ve vesmíru. Protože ve vesmíru mohou být takové podmínky, že v hlubinách vesmíru se atomy postupně excitují a excitují do vyšších energetických stavů, až dosáhnou těch obřích rozměrů. A jestliže se tyto atomy provážou do těch klastrů, tak přestanou elektromagneticky komunikovat s okolím a stanou se pro pozorovatele neviditelnými.
Máte na mysli nezářivou hmotu, o které víme na dálku jen díky její gravitaci? Ano. Nevíme, z čeho je tvořena, ačkoliv tvoří 3/4 hmoty vesmíru. Že by šlo částečně o tyto nafouknuté atomy? Je to jedna z možností.
Další zajímavost kolem Rydbergových atomů je, že když jsou v superpozici dvou stavů, tak můžou nést informaci o jednom i druhém stavu, což připomíná nulu a jedničku z výpočetní techniky. Tady se tomu říká qbity, takže mohou to být prvky do kvantových počítačů. Takže Rydbergovy atomy mohou sloužit jako extrémně citlivé senzory elektromagnetického pole, mohou sloužit jako qbity do kvantových počítačů a mohou být základem mnoha a mnoha technologií.
A teď pozor, dá se s nimi provést jisté kouzlo. Mně se vše kolem nich zdá dostatečně tajemné. Už teď je možno pohltit atomy uvnitř jiných atomů. Copak se do atomu vejde jiný? Když je jeden z nich obří, tak teorie říkala, že je.
To že by mohl Rydbergův atom obsahovat jiné atomy, to je stará záležitost. Ale technicky se o to pokoušeli od roku 2015 a uspěli na Riceově univerzitě ve Spojených státech až v roce 2021. A vypadalo to tak, že vzali atomy stroncia, ty ochladili na extrémně nízkou teplotu a při extrémně nízké teplotě atomy stroncia jsou to, čemu říkám fyzice bozony, to jsou částice, které mohou být ve stejném kvantovém stavu. A za té extrémně nízké teploty všechny ty atomy stroncia se dostaly do základního stavu a vytvořily bozonový kondenzát. To je látka, která má společné vlastnosti. Ty atomy se začnou chovat jako jeden jediný celek, jako jedna makročástice.
Všechny atomy stroncia měly tedy stejné vlastnosti, což bylo pro pokus důležité.
Do tohoto bozonového kondenzátu pustili laserový impuls a ten laserový impuls jeden nebo více atomu toho kondenzátu přivedl do excitovaného stavu a vytvořil z něj ten Rydbergův atom. Takže najednou bozonový kondenzát, mnoho normálních atomů stroncia, normální v uvozovkách, protože jsou všechny v základním stavu, a jeden obří Rydbergův atom, jehož se staly součástí ty ostatní. A spektroskopicky určili, že v jednom tom Rydbergově atomu bylo řádově zhruba 170 atomů normálních. Čili jeden obří atom a 170 atomů malých v něm. Je to velice zvláštní, že od té předpovědi uplynulo nějakých čtvrt století do okamžiku realizace, kdy se toto skutečně připravilo. A takovéto, říká se tomu odborně polarony, obří atomy, jehož součástí jsou další atomy, tak zase jsou to extrémně citlivá zařízení a mohou sloužit jako senzory nejrůznějších signálů, ať teplotního nebo opět elektromagnetických polí. Takže může se to stát součástí budoucích technologií.
Atom a v něm 170 dalších atomů. Podivné, ale reálné. Nicméně intuice mi říká, že v tomto stavu nevydrží v laboratoři dlouho. To je správný odhad. Jde o mikrosekundy, pouhé tisíciny sekundy. Jenomže v mikrosvětě je to dlouhá doba a leccos se během ní může odehrát.